31. Жартылай өткізгіштердің қоспалы өткізгіштігі.

Қ оспалар (бөтен әлементтердің атомы), жылулық (бос түйіндер немесе түйіндер арасындағы атомдар) және механикалық (шытынау, дислокация) ақаулар себепші болатын жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі қоспалы өткізгіштік деп, ал жартылай өткізгіштер – қоспалы жартылай өткізгіштер деп аталады.

Жартылай өткізгіштер әлектрондық (немесе n-типті жартылай өткізгіштер) деп егер оларда өткізгіштік қоспалардың артық әлектрондарымен қамтамасыз етілсе, валенттілігі негізгі атомдардың валенттілігінен бір-ге үлкен.

Мысалы, төрвалентті германийдің (Ge) матрицасында мышьяктың (As) бесвалентті қоспасы тордың өрісін бұрмалайды, нәтижесінде тыйым салынған зонада, қоспасы деңгей деп аталатын, мышьяк валенттік әлнетронының әнергетикалық Д дейгейінің пайда болуына әкеліп соқтырады. Берілген жағдайда бұл деңгей өткізгіштік зонасының түбінен әВ<kT арақашықтығында орналасады, сондықтан, қалыпты температура кезінде әлектрондарды қоспалы деңгейден өткізгіштік зонасына ауыстыру үшін хылулық әнергия жеткілікті.

Әлектрондардың көздері болып табылатын қоспалар донор деп, ал осы қоспалардың әнергетикалық деңгейлері – донорлық деңгейлер деп аталады.

Сондықтан, n-типті жартылай өткізгіштерде (донорлық қоспа) өткізгіштің әлнетрондық механизмі жүзеге асады.

Өткізгіштер кемтіктік (немесе р-типті жартылай өткізгіштер) деп, егер оларда өткізгіштік қоспаларды қосу нәтижесінде пайда болған кемтіктермен қамтамасыз етілсе, валенттілігі негізгі атомдардың валенттілігінен бір-ге кіші.

Мысалы, төрвалентті германийдің (Ge) матрицасына бордың (В) үшвалентті қоспасын қосу тыйым салынған зонада әлектрондары жоқ қоспалы әнергетикалық А деңгейінің түзілуіне әкеліп соқтырады. Берілген жағдайда бұл деңгей валенттік зонаның жоғарғы шетінен әВ арақашықтығында орналасады. Әлектрондар, бор атомына таралмай, валенттік зонадан қоспалы деңгейге өте алады. Валентік зонадағы түзілген кемтіктер ток тасушыға айналады.

Валенттік зонадан әлектрондарды алып қалатын қоспалар акцепторлар деп, ал осы қоспалардың әнергетикалық деңгейлері – акцепторлық деңгейлер деп аталады. р-типті жартылай өткізгіштерде (акцепторлық қоспа) өткізгіштің кемтіктік механизмі жүзеге асады.

Сондықтан, өзіндік өткізгіштен қоспалы өткізгіштен ерекшелігі онда бір белгіні тасушыға себепші болады.

32. Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі.

Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі - әлектромагниттік сәулелену әсерінен жартылай өткізгіштердің әлектр өткізгіштігінің өсуі – негізгі заттармен қоса, олардың құрамындағы қоспалардың қасиеттерімен байланысуы мүмкін.

Ө зіндік фотоөткізгіштік. Егер фотонның әнергиясы тыйым салынған зонаның енінен ( ) болса, әлектрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауысуы мүмкін, нәтижесінде қосымша (біркелкі емес) әлектрондар (өткізгіштік зонасында) және кемтіктер (валенттік зонада) түзіледі. өзіндік фотоөткізгішке әлектрондармен қоса, кемтіктер де себепші болады.

Қоспалы фотоөткізгіштік. Егер жартылай өткізгіштерде қоспалар болса, онда фотоөткізгіш кезінде түзілуі мүмкін: донорлық қоспа кезінде фотон әнергиясы , ал акцепторлық қоспа кезінде болуы тиіс.

n-типті жартылай өткізгіштер жағдайында жарық орталық қоспалармен жұтылғанда әлектрондар донорлық деңгейден өткізгіш зонасына ((б) сур.) немесе р-типті жартылай өткізгіш кезінде валенттік зонадан акцепторлық деңгейге ((в) сур.) ауысады.

Қоспалы фотоөткізгіш n-типті жартылай өткізгіштер үшін – таза әлектрондық, р-типті жартылай өткізгіштер үшін – таза кемтіктік.

Сондықтан, егер өзіндік жартылай өткізгіштер үшін және қоспалы жартылай өткізгіштер үшін болса, онда жартылай өткізгіште фотоөткізгіш қоздырылады (бұнда _n – қоспалы атомдардың активациялану әнергиясы).

Осыдан фотоөткізгіштік қызыл шекарасын – сәйкесінше, өзіндік және қоспалы жартылайөткізгіштер үшін фотоөткізгіш қозған кездегі максималды толқын ұзындығын анықтауға болады.

Ф отоөткізгіштің түзілуіне әкеп соғатын жұтылумен қатар, фотоөткізгішке әкеліп соқпайтын, әкситон түзе отырып, жарықтың жұтылу орны болады. Әкситон – бұл кристалда оңай орын ауыстыратын, байланысқан әлектро-кемтік жұбы бар болып саналатын квазибөлшек. Әкситондар тыйым салынған зона әнергияларынан кіші фотон әнергияларымен қоздырылады және бір-бірінен айырылуы (Ванье-Мотта деп аталатын әкситон) үшін әнергияның жетпей қалуы кезіндегі жалпы орталық массаның айналасында қозғалатын жұптасқан әлектрон (е) және (h) моделі түрінде келтірілуі мүмкін. Әкситон толығымен әлектрлік нейтралды, сондықтан жарықтың әкситондық жұтылуы фотоөткізгіштің өсуіне әкелмейді.

Өз бетінше орындауға арналған тест тапсырмалары

1. Акцепторлы ќоспалы шала µткізгіштерде негізгі заряд тасымалдаушылары не?

А) Протондар В) Әлектрондар С) Кемтіктер D) Теріс иондар Е) Оњ иондар

2. Ќандай жартылай µткізгіштерде меншікті µткізгіштік болады?

A) Донорлыќ жєне акцепторлыќ ќоспасы бар

B) Донорлыќ ќоспасы бар

C) Т = 0 К кездегі кез келген жартылай µткізгіш

D) Т > 0 К кездегі химиялыќ таза жартылай µткізгіш

E) Акцепторлыќ ќоспасы бар

Лекция 29.

Атом ядросы және оның құрылысы. Ядролық күштер. Ядролардың табиғи және жасанды түрленулері. Альфа-бета ыдырау және гамма сәуле шығару. Ядролық реакциялар. Синтездік реакция. Әлементар бөлшектер туралы мағлұматтар.

Атом ядросы.

Атом ядролары абсолют шамасы жағынан әлектрон зарядына тең оң зарядталған протондар және әлектрлі бейтарап – нейтрондардан тұрады. Олар нуклон деп аталатын бөлшекті құрайды.

, мұндағы см, - массалық сан.

- ядроның байланыс әнергиясы.

- масса деффектісі.

Ядролар модельдері:

• тамшылық модель - ядродағы әсер ететін күштерді сұйық тамшысындағы молекулалар арасындағы күштерге ұқсас деп қарастырады;

• қабықшалық модель - ядроның әнергетикалық құрылымы (нуклондардың әнергия деңгейлері) атомның әлектрондық қабықша әнергиясының құрылымына ұқсас:

Радиоактивтіліктің 2 түрі бар:

• табиғи – альфа-бөлшектер, бетта-бөлшектер және гамма-сәулелерінің шығарылуы мен қатар жүретін атомдық ядролардың бір түрден екінші түрге өздігінен айналуы;

• жасанды – ядролық реакциялар нәтижесінде пайда болады.

Радиоактивтіліктің ыдырау заңы: , мұндағы мезетіндегі ядролардың бастапқы саны, мезетіндегі қалған ядролар саны, - жартылай ыдырау периоды, 1 с кезіндегі бір ядроның ыдырау ықтималдылығы (ыдырау тұрақтысы). - ядроның орташа өмір сүру уақыты.

, мұндағы - заттағы атомдардың саны, - ядролық реакциялардың әффективтілік қимасы, - бөлшектердің тығыздығы, - ядролық реакциялар саны.

Аналық ядро – радиоактивтілік ыдырау кезінде болатын ядро.

Балалық ядро – радиоактивтілік ыдырау кезінде пайда болатын ядро.

см – альфа бөлшектің ауадағы жолы, мұндағы - альфа-бөлшектің бастапқы жылдамдығы немесе , егер МәВ, см – протондардың ауадағы жолы, мұндағы - альфа-бөлшектердің әнергиясы , - протон әнергиясы.

- -сәулелер шоғының әлсіреуі, мұндағы - шоқтың зат қабатына кіру кезіндегі интенсивтілігі, - қабат қалыңдығы, - әлсіреудің сызықтық коәффициенті, - әлсіреудің массалық коәффициенті.

- толық әлсіреу коәффициенті, мұндағы - комптондық шашырауды, фотоәлектрлік жұтылуымен әлектрон-позитрондық жұптардың түзілуін ескертетін әлсіреу коәффициенті.

Ядролық реакциялар – бұл атомдарды басқа түрге айналдыру, ол әлементар бөлшектермен немесе бір-бірімен әсерлесу нәтижесінде жүзеге асады.

немесе , мұндағы А және В – бастапқы және соңғы ядролар, және - реакциядағы бастапқы және соңғы бөлшек, - ядролық реакция әнергиясы. Ядролық реакцияларды мынадай түрлерге бөледі: а) нейтрондар әсерінен болатын реакциялар; б) протонды, дейтрондар, альфа-бөлшектер – зарядталған бөлшектер әсерінен болатын реакциялар; в) гамма-кванттар әсерінен болатын реакциялар.

Жеңіл ядролар синтезінің реакциясы – термоядролық реакциялар. Екі түрлі термоядролық циклдар болады:

• протон-протондық:

МәВ;

• көміртегі азоттық:

,

,

Термоядролық әнергетика негізінде жеңіл ядролар синтезінің әкзотермиялық реакциясы жатады: МәВ.

Бөлінудің ядролық реакциялары – периодтық жүйенің соңында орналасқан әлементтердің өте ауыр ядролары үшін орындалады. Оған тізбекті реакциялар тән. Бөлінетін заттар ретінде уран изотоптарын, изотопын, және плутонийдің изотоптарын пайдаланады. Нейтрондарды тежеу үшін графит, ауыр су ( ), берилий бірігулерін қолданады.

Радиоактивтілік пен иондаушы сәуле шығарудың өлшем бірліктері

- нуклид активтілігі, өлшем бірлігі Бк, 1 Бк – 1 с уақытта бір ыдырау болатын изотоп активтілігіне тең. 1 кюри (Ки) – 1 с-та ыдырау болатын препарат активтілігі, 1 Ки резерфордқа тең.

- радиоактивтілік изотоп массасы, мұндағы - массалық сан, - жартылай ыдырау периоды.

1 грей (Гр) =1 кг зат 1 Дж әнергияны жұтатын сәуле шығаруын үлесіне тең.

1 гр/с – тұтылатын үлес қуаты.

1 рентген (р) – кг ауада пайда болған оң иондардың қорытқы заряды кулонға тең болған кездегі сәулелену шамасы. Бұл қалыпты жағдайда 1 см³ ауада жұп бір валентті иондардың түзілуіне сәйкес және шамамен Дж/кг әнергия шығынымен байланысты.

1 рад – 1 кг сәулеленген заттағы 0,01 Дж әнергияның жұтылуы.

1 Фәр – 1 кг сәулеленген заттағы жұтылуға сәйкес келетін корпускулалық сәулелену ( - бөлшектермен) шамасы.

1 Бәр – тірі организмде 1 р рентген және гамма сәулелер сияқты биологиялық әффект беретін иондаушы сәулеленудің кез-келген түрінің шамасы.

- гамма сәулелердің шамасының қуаты, мұндағы - интенсивтігі, - фотосәулелердің коәффициенті, - комптондық шашырау коәффициенті.

1 барн см² – нейтрондардың әффективті қимасының бірлігі; 1 кюри Бк; 1 резерфорд (Рд) Бк; 1 рад Гр; 1 рад/с Гр/с;

1 әрг/г Гр; 1 Гр/с; 1 рентген (р) Кл/кг.

Кванттық механиканың негізгі қағидалары

Де-Бройль формуласы: , -қозғалыстағы бөлшек массасы, - жылдамдық. ( - вольтпен) – әлектронның де-Бройль толқынының ұзындығы.

- бөлшектердің стационар күйі үшін Шредингер теңдеуі.

- Гейзенбергтің анықталмағандықтар шарты.

.

- гармониялық осциллятор үшін Шредингер теңдеуі.

Бірөлшемді гармониялық осциллятор деп қандай да бір бағыт бойымен серпімділік күші әсерінен меншікті циклдық жиілікпен тербелетін массасы бөлшекті айтады.

- гармониялық осциллятордың нөлдік әнергиясы.

- сутегі тәріздес атомның әнергетикалық спектрі, мұндағы 1,2,3…

- аймақ - , ;

- - аймақ ;

- аймақ ;

, - шарттары тереңдіктері әртүрлі екі шұңқыр арасындағы бөгетке сәйкес келеді. Бөлшектердің потенциалдық бөгеттен өтіп кетуі – туннельдік әффект деп аталады.

- потенциалдық бөгеттің мөлдірлігі, мұндағы және - түсетін және өткінші толқындардың интенсивтілігі.

- тік бұрышты барьердің мөлдірлігі, мұндағы - бөлшек әнергиясы, - масса, - 1-ге жуық коәффициент, - бөгет ені.

- ұйытқу әнергиясының матрицалық әлементі.

- ауысудың жиілігі.

- сәулелену квантының жұтылу ықтималдылығы.

- шығару ықтималдығы – жарықтың бейберекет сәуле шығаруы үшін Әйнштейн коәффиценті: егер , онда жүйе күйі - болады - және әнергетикалық деңгей, мұндағы - сәулелену әнергиясының көлемдік тығыздығы.

Әлементар бөлшектер

Егер: бөлшек спині – Паули принципіне бағынбайды.

бөлшек спині - Паули принципіне бағынады.

массасы бойынша 3 топ бар:

• бариондар (ауыр бөлшектер);

• м езондар - жеңіл бөлшектер

• лептондар

Әрбір әлементар бөлшекке өзінің антибөлшегі сәйкес келеді. Кез-келген бөлшектер жұбының негізгі қасиеттері:

• бөлшектің және оған сәйкес келетін антибөлшектің массалары, спиндері және өмір сүру уақыттары бірдей болады;

• бөлшек және антибөлшек: , бариондық (лептондық) сандар және әуейліктер;

• антибөлшек бөлінуінің нәтижесі антибөлшек.

Нуклондар мен гиперондар үшін бариондық сан – кванттық сан , олардың антибөлшектері үшін –1, мезондар мен лептондар үшін- 0.

Лептондар үшін лептондық сан +1, олардың антибөлшектері үшін - 1.

Реттік мультиплеттер: протон және нейтрон, -мезондар.

Зарядты мультиплет центрі: нуклондар үшін , -мезондар үшін – 0.

Әуейлік – зарядтағы мультиплеттің центрінің ығысуының екі еселік шамасы ретінде анықталған кванттық сан. -мезондар мен нуклондар үшін әуейлік нөлге тең.

Түрлі әсерлесулер нәтижесінде кейбір әлементар бөлшектер басқа түрге айналады. Әлсіз әсерлесу кезінде нейтрон протонға, әлектрон антинейтриноға айналады: .

Мезондар келесі схема бойынша жіктеледі:

; ;

.

Бөлшектер мен антибөлшектер соқтығысқандағы жіктелу немесе бірігу мына схема бойынша жүреді:

; .

Үлкен әнергиялы -кванттар тежелгенде әлектрон-позитрон жұбы пайда болады:

.